天然气发动机电控系统的初步研究

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1、天然气发动机电控系统的初步研究吴本成孙仁云陈林林蔡建余 摘要：本文阐述了顺序多点喷射天然气发动机电控喷射系统的组成及工作原理。试验在原YH465Q-1E汽油机上进行，对原机的进气系统和燃烧系统进行了改进，采用无分电器高能点火，并提出了一种控制各缸点火时刻及点火线圈导通时刻的方法。电控系统精确控制点火时刻和喷气喷射量。发动机通过了动力性和经济性测试，达到了动力性要求，并具有较好的经济性。关键词：天然气发动机，电控喷射，高能点火1概述由于我国石油能源的日益短缺，以及环境问题越来越受到世界各国的重视，各种排放法规也相应的更加苛刻，汽车尾气排放法规也不利外，加之人们对汽车使用经济性的

2、追求，各种汽车代用燃料（天然气，液化气，石油气等）正在受到青睐。其中天然气在我国已探明有大量的储量，而且天然气具有高热值、低排污、使用经济性等特点，因此使其在现代发动机代用燃料中脱颖而出，使用比例增加很快。随着近几年来天然气汽车驶入各大城市，天然气发动机已成为我国发动机研究领域的热点。但是天然气除了上述优点外，同时还具有一些缺点，那就是与汽油机相比动力性稍有下降，不易点燃，需要较高的点火能量，而且燃烧后空气膨胀率几乎为零，发动机的润滑性能较差，机件磨损严重，热负荷大，排气温度高等。因此，天然气发动机研究的一个重要问题就是如何精确控制空燃比和点火提前角并尽可能提高点火能量，以保

3、证发动机的动力性，经济性，并改善排放性能。本研究的目的就是通过对原YH465Q-1E汽油机进行改装，开发一套天然气发动机电控多点顺序喷射高能点火系统，使其成为天然气单燃料发动机，并能逐步达到使用阶段。2天然气发动机的改装2.1原机介绍原YH465Q-1E是四冲程、水冷、电子控制燃油多点顺序喷射、直列四缸汽油发动机，结构简单，性能优良，环境适应能力强。原机主要技术参数如下表。      YH465Q-1E风冷汽油机主要技术参数  形式            四冲程、立式、强制循环水冷、直喷总排量 ，　　L1.05L压缩比9.4：1标定功率/转速，Kw/（r/min）38.5/（

4、5200±50）最大扭矩/转速，Ｎm／（r/min）80/（3500-4000）标定转速，r／min6000　　　　　　　　　　　　　　点火提前角6°±1°（875±r/min）该发动机用于匹配轿车。使用天然气作为燃料后，需对原机进行改造，改造后的天然气发动机仍然用于匹配轿车，良好的动力性，经济性和排放特性可以得到很好的发挥。2.2对原机的改造     对该机的改造主要通过加装一套完整的天然气供给系统和高能点火系统并改变压缩比实现。所使用的天然气是经过加工过的压缩天然气，压力达到20Pa，气源由瓶装天然气提供。供气系统组件包括：气瓶、手动开关阀、电磁开关阀、滤清器、电控调压阀

5、、连接管路，电磁阀块和电磁阀及喷嘴管路。该供给系统的设计主要考虑发动机每循环天然气耗量。耗气量是按原机每循环汽油量折算得出，并由此计算减压阀、电磁阀的流量，从而设计出喷口尺寸，据此对电磁阀和减压阀进行合理选型。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换，并对供气温度和压力进行时时监测。       由于天然气抗爆辛烷值指标较高达130，只要压缩比不超过14就不易引起爆燃，为了降低发动机的点火难度，在保证发动机工作稳定性的前提下，我们将压缩比从原来的9.4：1改为10.5：1。修改压缩比是通过增加活塞顶厚度并通过使用减薄气缸垫厚度来实现。图1为燃料供给示意图。3电控系统的设计 

6、 电控系统软硬件的工作质量对发动机的工作性能影响很大，起关键作用。本系统选择Intel公司的80C196KB单片机为核心进行系统开发，控制输出量为喷射阀驱动信号及点火驱动信号。来自发动机的有模拟信号和数字信号，其中模拟信号有节气门位置信号、进气管压力信号、进气管温度信号、冷却水温度信号、天然气压力信号、天然气温度信号及氧传感器信号；数字信号是发动机转速信号及判缸信号。80C196KB是功能强大的CHMOS16位单片机的第一代产品，其特点是内部“嵌入”了以往被认为是“外围设备”的各种电路，如时钟发生器、I/O口、A/D转换器、PWM、定时器/计数器、监视定时器、高速输入/输出器

7、、外设事务服务器等；有丰富的中断源和中断向量（有28个中断源，18个中断向量），指令功能丰富，速度快；尺寸小，功耗低，抗干扰性能强等。电控系统的设计主要从系统控制功能的需要出发，采集、处理传感器得到的各种发动机工况信号，并通过运算，确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的燃气喷射量和相应的点火提前角，向执行装置按照喷射正时和点火正时输出喷气控制脉冲信号及点火信号，控制喷射和点火的整个过程。因为天然气燃料燃点高，不易点燃，燃烧速度慢，所以我们加装了高能点火系统，使其点火电压高达3.5万伏。采用电子点火电